Interaktioner mellem ultrakolde molekyler kontrolleret af fysikere

En måde at kollidere ultrakolde molekyler på og samtidig kontrollere hastigheden, hvormed de reagerer, er blevet udviklet af fysikere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA. Forskere ved Tysklands Max Planck Institut for Kvanteoptik har gjort en lignende opdagelse ved hjælp af en anden eksperimentel teknik. Deres forskning åbner nye veje til øget kontrol af kemiske reaktioner.

Kemiske reaktioner er uhyre komplekse, hvor et stort antal atomer og molekyler kolliderer med hinanden, mens de drives af kinetiske kræfter. Denne kompleksitet gør det meget vanskeligt at fokusere på reaktioner på atom- og molekylært niveau.

For at komme uden om dette kompleksitetsproblem kan forskere afkøle atomer og molekyler til mikrokelvin-temperaturer for at begrænse de mulige kvantetilstande, reaktanterne kan være i. Reaktioner, der involverer disse ultrakolde atomer og molekyler, kan derefter delvist styres ved hjælp af lasere eller magnetiske felter, hvilket giver vigtig information om kemiske processer.

En udfordring ved at studere ultrakolde molekyler er, at de har rotations- og vibrationskvantetilstande. Dette gør molekyler meget sværere at kontrollere end atomer, og dette har forhindret ultrakolde eksperimenter i at bevæge sig ud over simple atom-atom- og atom-molekyle-reaktioner.

Feshbach-resonanser

Nu er et hold på MIT ledet af nobelpristageren Wolfgang Ketterle har udviklet en ny måde at kontrollere ultrakolde molekyler på. Teknikken bruger Feshbach-resonanser, som opstår, når to kolliderende atomer eller molekyler kortvarigt danner en bundet tilstand. Feshbach-resonanser er meget brugt i studiet af ultrakolde gasser, fordi de kan bruges til at finjustere interaktioner mellem atomer.

Anvendelse af Feshbach-resonanser på ultrakolde atomer blev pioneret af Ketterle i 1998, da han foretog den første observation nogensinde af fænomenet i ultrakolde natriumatomer. Siden da har forskere søgt efter lignende resonanser i kollisioner, der involverer både atomer og molekyler. Sidste år, Ketterle og kolleger brugte Feshbach-resonanser til at skabe reaktioner, der involverer natriumatomer og natrium-lithium-molekyler. De fandt ud af, at kvanteinterferenseffekter relateret til flere afvisninger mellem kolliderende partikler kan være konstruktive eller destruktive. Dette enten forstærker eller undertrykker reaktionerne med faktorer på omkring 100.

Nu har MIT-forskerne fundet en Feshbach-resonans i kollisioner mellem par af ultrakolde natrium-lithium-molekyler. Det forekommer inden for et meget snævert område af det påførte magnetfelt. Da forskerne kiggede over et magnetfeltområde på mere end 1000 G, fandt de en øget reaktionshastighed mellem molekyler i et smalt 25 mg vindue. Holdet konkluderede, at Feshbach-resonansen tilskyndede molekylerne til at bevæge sig ind i et relativt langlivet mellemkompleks, der igen øgede antallet af molekylære reaktioner op til 100 gange.

Stor overraskelse

Yderligere analyse af de nye data gav en overraskende opdagelse. Netop ved resonansen har to tilstande af molekylet nøjagtig den samme energi og kan derfor begge deltage i sammenstødet. Selvom resultatet var uventet, påpeger Ketterle, at natrium-lithium er det letteste ultrakolde molekyle, der studeres. Som et resultat har det den mindste tæthed af tilstande, og at det derfor er højst sandsynligt, at molekylet har en isoleret tilstand, der er langlivet.

For at forstå deres observationer udviklede holdet en model, der beskriver resonansen forårsaget af magnetfeltet og henfaldet af det mellemliggende kompleks til en åben kanal, der får molekylet til at forsvinde.

Deres model er analog med lys, der resonerer i et Fabry-Perot-hulrum - en enhed bestående af to tynde spejle, der transmitterer lys ved en specifik resonansbølgelængde. Levetiden for det mellemliggende kompleks er analog med tur-retur-tid, som en foton bruger inde i et resonanshulrum.

Selvom denne model forklarer resultaterne, er der stadig nogle åbne spørgsmål. For eksempel ville det være nyttigt at vide, om disse snævre resonanser er unikke for molekyler med små atomer - molekyler, der har en lavere tæthed af tilstande. Det ville også være interessant at undersøge, om andre magnetfeltværdier skaber langlivede komplekser. Disse spørgsmål vil utvivlsomt sætte gang i en bølge til begejstring inden for ultrakold kemi og kan føre til nye anvendelser og fysiske indsigter.

Styr på

Ketterle mener, at forskningen vil vise sig at være vigtig for kvantevidenskab, fysisk kemi og kemi. Men han erkender, at der skal arbejdes mere, og at uden en fuld forståelse af resonansen er det svært at komme med forudsigelser for andre molekyler. Han siger dog, at hans holds observation har gjort det mere sandsynligt, at der findes resonanser og langlivede kollisionskomplekser i andre molekyler.

Fysikere nærmer sig en enklere vej til kvantedegenererede molekyler

“Feltet udvikler sig i øjeblikket mod kontrol på kvanteniveau over flere og mere komplekse systemer. Vores arbejde er et skridt for at opnå kvantekontrol over molekylære kollisioner og reaktioner og for at kortlægge disse molekylers kollisionsegenskaber mere bredt med det mål at finde en dybere forståelse”, fortæller han. Fysik verden.

Bo Zhao fra University of Science and Technology i Kina roser holdets opdagelse af en magnetisk afstembar Feshbach-resonans mellem ultrakolde grundtilstande diatomiske molekyler, og tilføjer, at arbejdet er et vigtigt fremskridt inden for ultrakolde molekyler og ultrakolde kemi. Han udtaler, at Feshbach-resonanser mellem molekyler kan føre til mange nye forskningsmuligheder, herunder studiet af stærkt interagerende molekylære gasser.

Forskningen er beskrevet i Natur. I samme nummer af tidsskriftet, Xin-Yu Luo og kolleger ved Tysklands Max Planck Institut for Kvanteoptik beskrive en lignende ordning til styring af reaktionshastigheden af ​​ultrakolde natrium-kalium-artikler. I denne forskning brugte holdet oscillerende mikrobølgestråling til at skabe resonansen.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/interactions-between-ultracold-molecules-controlled-by-physicists/